СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗДЕЛИЙ В ВАКУУМЕ Российский патент 1996 года по МПК C23C14/48 C23C14/00 

Предлагаемое изобретение относится к области ионнолучевой вакуумной обработки материалов и может быть использовано при модифицировании поверхностей изделий, в частности, для создания антифрикционного и износостойкого слоя на изделиях, в узлах сухого трения и со смазкой, в узлах трения с высокими удельными нагрузками, в точной механике, металлургии, приборостроении, инструментальной промышленности.

Известен способ термической обработки инструмента [1] включающий его закалку и обработку холодом, в котором перед обработкой холодом поверхность инструмента обрабатывают раствором, фторсодержащим поверхностно-активного вещества. Недостатками данного способа являются его ограниченное применение (для точного инструмента плашек, калибров и т.п.). Не применим в массовом производстве из-за нестабильности результатов, длительности цикла, условий техники безопасности при работе с жидким азотом.

Известен также способ нанесения покрытий методом КИБ и эпиламирования [2] в котором после нанесения износостойкого покрытия на режущий инструмент производят его эпиламирование с помощью смазочной композиции 6СФК-180. Недостатками указанного способа являются то, что он не обеспечивает надежную адгезию покрытия с подложкой, качество самого покрытия по стехиометрическому составу, пористости и толщине, требует операции ионной очистки подложки перед нанесением покрытия и специальной подготовки поверхности с нанесенным покрытием (устранение продуктов напыления) перед обработкой в эпиламирующей композиции с целью хорошей адгезии пленки к поверхности покрытия. Применение инструмента с покрытием только из нитрида титана даже с последующей обработкой его в эпиламирующей композиции возможно не для всех материалов и режимов обработки. Кроме того, в процессе получения покрытия из нитрида титана неизбежны ионная очистка, нагрев поверхности изделия до 500-700^oC (в зависимости от материала), возможны деформация, коробление, изменение геометрических размеров. Данный способ создает высокий уровень внутренних напряжений покрытия и в результате приводит к скалыванию и потере функциональных свойств покрытия на острых кромках.

Наиболее близким к заявляемому способу упрочнения поверхностей изделий в вакууме является способ ионнолучевой обработки [3] включающий импульсную имплантацию в вакууме изделий из шарикоподшипниковых сталей ШХ15, ЭИ347 с предварительно нанесенным электронно-лучевым способом покрытием дисульфидов молибдена, либо покрытием углеродом, соответственно ионами молибдена или ионами титана. Имплантацию производят энергией однозарядных ионов до 100 КэВ, дозой облучения до 3 х 10¹⁷ см^-2, частотой следования импульсов и длительностью 50 Гц и 300 мкс, плотностью ионного тока до 1мА/см². Недостатками данного способа являются:
1) необходимость иметь дорогостоящее специальное вакуумное оборудование и источник электронов;
2) сложность процесса электронно-лучевого нанесения покрытия;
3) зависимость функциональных свойств имплантированной поверхности от качества предварительно нанесенного покрытия дисульфида молибдена и углерода.

В основу изобретения положена задача получения износостойких покрытий, с низким коэффициентом трения, с меньшими энергетическими затратами.

Эта задача решается двумя вариантами способа.

Первый заключается в том, что сначала изделия обрабатывают в эпиламирующей композиции 6СФК-180-0,5 на основе высокомолекулярных фторсодержащих поверхностно-активных веществ во фторсодержащих растворителях, затем имплантируют ионы металлов и (или) неметаллов импульсами с частотой 50 Гц, длительностью импульса 250 мкс, с энергией однозарядных ионов 40 100 кэВ до достижения дозы 5•10¹⁶-1•10¹⁷ см^-2.

Во втором варианте, наоборот, сначала имплантируют ионы металлов и (или) неметаллов при тех же режимах, что и в первом варианте, а затем обрабатывают в эпиламирующей композиции 6СФК-180-0,5 на основе высокомолекулярных фторсодержащих поверхностно-активных веществ во фторсодержащих растворителях.

Заявляемый способ по первому и второму вариантам характеризуется новой совокупностью существенных признаков, которые позволяют выполнением обработки поверхности в эпиламирующей композиции и имплантации ионов металлов и/или неметаллов в указанных последовательностях операций получить новый комплекс физико-химических, физико-механических свойств как на самой поверхности изделия, так и в приповерхностных областях материала.

По первому варианту имплантации ионов металлов и/или неметаллов через мономолекулярную пленку толщиной 10-30 , содержащую в своем составе химические элементы C, F, O приводит к частичному расщеплению существующих химических связей в объеме пленки и образованию новых, к эффективному перемешиванию атомов металлов и/или неметаллов в указанном диапазоне энергий в приповерхностном слое изделия на глубине, сравнимой с величиной проецированного пробега ионов с образованием в целом композиционного модицифированного слоя. Это приводит к уменьшению адгезионного взаимодействия между трущимися поверхностями и, следовательно, к повышению триботехнических характеристик системы "трущиеся поверхности продукты износа среда", в результате чего снижается износ и уменьшается коэффициент сухого трения скольжения.

По второму варианту способа эффект увеличения износостойкости обусловлен сочетанием высокой механической прочности модифицированного приповерхностного слоя, содержащего большое количество синтезируемых за счет имплантации тонкодисперсных когерентносвязанных с решеткой микровыделений карбидов, боридов, интерметаллидов, со свойствами самой прозрачной разделительной барьерной пленки с очень низким запасом поверхности энергии эпиламы, с ее прочной связью с модифицированной поверхностью. Пленка снижает внутреннее напряжение поверхности, препятствует росту микротрещин, существенно снижает силы трения, уменьшает силы молекулярного взаимодействия между материалами контактирующих поверхностей, не допуская возникновения металлических связей в результате взаимодиффузии или односторонней диффузии атомов одного металла в другой, повышает износостойкость, снижает коэффициент трения.

По первому варианту способа упрочнения поверхностей изделий в вакууме обработку осуществляют в следующей последовательности операций. Изделия, подлежащие обработке, очищают от загрязнений посредством мойки, например, в ультразвуковой ванне, с последующей сушкой на воздухе и обезвоживанием в спирте. Перед имплантацией способом погружения наносят эпиламирующую композицию 6СФК-180-0,5 ТУ6-02-1229-82 в течение 5-8 минут. Обработку осуществляют в ванне, при этом температура эпиламирующей композиции не превышает температуру кипения фторсодержащего поверхностно-активного вещества. Поверхность, покрытую эпиламирующей композицией, высушивают на воздухе или при температуре 110-130^oC для отверждения пленки. После нанесения пленки изделия помещают в вакуумную камеру, которую откачивают до давления 2,66•10^-3 Па (2•10^-5 мм рт.ст.), производится облучение эпиламированной поверхности изделий однозарядными ионами с энергией 40 100 кэВ, при плотности тока 150.200 мА, до дозы 1•10¹⁷ см^-2, с частотой 50 Гц, длительностью импульса 250 мкс. Для генерации ионов используют источник ионов, в котором в качестве катодов берут твердые проводящие вещества, например, титан, бор, углерод, азот. Имплантацию ионов в поверхность проводят при температуре не более 150^oC, благодаря чему изделие не изменяет своей геометрической формы, размеров и твердости.

По второму варианту способа упрочнения поверхностей изделий в вакууме обработку осуществляют в следующей последовательности операций. Сначала изделия, подлежащие обработке, очищают от загрязнений посредством мойки, например, в ультразвуковой ванне с последующей сушкой на воздухе и обезвоживанием в спирте. Затем изделия помещают в вакуумную камеру, которая откачивается до давления 2,66•10^-3 Па (2•10^-5 мм рт.ст.) и производят облучение поверхности высокоэнергетическими пучками ионов в частотно-импульсном режиме с частотой 50 Гц длительностью импульса 250 мкс с энергией однозарядных ионов 40.10 кэВ до достижения дозы 5•10¹⁶.1•10¹⁷ см^-2. Затем, без подготовки поверхности, изделия обрабатывают в эпиламирующей композиции методом погружения в ванну, при этом температура раствора не превышает температуру кипения фторсодержащего поверхностно-активного вещества, время погружения 5-8 минут. Поверхность, покрытую эпиламирующим составом, высушивают на воздухе, или при температуре 110-150^o C в сушильном шкафу для отверждения пленки. При этом происходит необратимый процесс адсорбции, в результате которого на поверхности изделий образуется пленка толщиной 10-30 в виде мономолекулярного равнотолщинного слоя.

В дальнейшем изобретение поясняется следующими примерами конкретного выполнения. По первому варианту способа. Пример 1. Металлические образцы, в частности, из стали ШХ15 ГОСТ 801-78, подвергают обработке по предлагаемому способу, затем испытывают на сухое трение скольжения и износ в паре с закаленным роликом из стали ШХ15 по схеме диск-ролик при нагрузке P=15 кГс, число оборотов диска n=60 об/мин, время испытания 30 минут. Образцы в виде дисков с шероховатостью рабочей поверхности R_a -0,8 мкм подвергают очистке, обезвоживанию в спирте, обработке в эпиламирующем составе, отверждению пленки. Обработанные таким способом образцы помещают в вакуумную камеру установки и облучают пучком ионов состава Ti⁺, B⁺ в частотно-импульсном режиме. Эффективность проведенной обработки оценивают по результатам испытания образцов на машине трения СМТ-1, по величине глубины канавки износа диска и величине коэффициента сухого трения скольжения при установившемся режиме трения. Одновременно проводят имплантацию образцов без предварительной обработки поверхности в эпиламирующем составе, при дозе 2•10¹⁷ см^-2 и прочих равных условиях. Глубину канавки износа определяют на профилометре 296. Результаты сравнительных испытаний приведены в табл.1.

Пример 2.

Металлические образцы из стали ШХ15 подвергают обработке по предлагаемому способу, затем испытывают на сухое трение качения и износостойкость в паре с материалом ШХ15 по схеме шарик по диску при нагрузке Р=30 кГс, n=250 об/мин. Образцы в виде диска с шероховатостью рабочей поверхности R_a=0,8 мкм подвергают обработке с той же последовательностью операций при прочих равных условиях.

Эффективность проведенной обработки оценивают по результатам испытаний образцов на машине трения СМТ-1 по величине коэффициента трения качения при установившемся режиме трения. Износостойкость определяют по времени нахождения шарика в системе от начала испытания до его вылета из системы. Результаты сравнительных испытаний по трем сериям эксперимента приведены в табл.2.

Примеры конкретного выполнения по второму варианту заявляемого способа упрочнения поверхностей деталей в вакууме.

Пример 3.

Металлические образцы, в частности, из стали ШХ15 ГОСТ 801-78 подвергают обработке по предлагаемому способу, затем испытывают на сухое трение скольжения и износ в паре с матеpиалом ШХ15 по схеме ролик диск при нагрузке Р=15 кГс, числе оборотов n=60 об/мин, время испытания 30 минут.

Образцы в виде дисков с шероховатостью рабочей поверхности R_a=0,8 мкм подвергают очистке, обезвоживанию, облучению поверхности высокоэнергетическими пучками ионов в частотно-импульсном режиме.

Эффективность проведенной обработки оценивают по результатам испытаний образцов на машине трения СМТ-1 по величине глубины канавки износа диска и величине коэффициента сухого трения скольжения при установившемся режиме трения. Одновременно производят испытания образцов без последующей обработки в эпиламирующей композиции при прочих равных условиях.

Глубину канавки износа определяют на профилометре 296. Результаты сравнительных испытаний приведены в табл.3.

Пример 4.

Металлические образцы из стали ШХ15 ГОСТ 801-78 подвергают обработке по предлагаемому второму варианту способа, затем испытывают на сухое трение качения и износостойкость в паре с материалом ШХ15 по схеме "шарик по диску" при нагрузке Р=30 кГс, число оборотов n=250 об/мин. Образцы в виде диска с шероховатостью рабочей поверхности R_a=0,8 мкм подвергают обработке с той же последовательностью операций при прочих равных условиях.

Эффективность проведенной обработки оценивают по результатам испытания образцов на машине трения СМТ-1 по величине сухого коэффициента трения качения при установившемся режиме трения. Износостойкость определяют по времени нахождения шарика в системе от начала испытания до его вылета из системы.

Результаты сравнительных испытаний приведены в табл.4.

Анализ полученных результатов показал, что для образцов, обработанных по предлагаемому способу с предварительной обработкой коэффициент сухого трения скольжения в 1,33 раза меньше по сравнению с исходным и в 1,1 раза меньше по сравнению с облученным двухкратной дозой 2•10^-17 см^-2. Износ по первому варианту способа в 2,2 раза меньше по сравнению с исходным и в 1,3 раза меньше по сравнению с облученным двухкратной дозой 2•10^-17 см^-2. Коэффициент сухого трения качения в три раза меньше по сравнению с исходным и облученным без предварительной обработки поверхности в эпиламирующей композиции, износостойкость увеличилась в 3 и в 1,9 раза соответственно.

Износ по второму варианту способа в 1,9 раза меньше по сравнению с исходным и в 1,1 раза меньше по сравнению с облученным двухкратной дозой 2•10^-17 см^-2. Коэффициент сухого трения качения в 1,5 раза меньше по сравнению с исходным и облученным без последующей обработки поверхности в эпиламирующей композиции износостойкость увеличилась в 2,23 раза и в 1,2 раза соответственно.

Указанный по первому и второму варианту способа лучший технический результат возможно обеспечить дозой в два раза меньшей.

Изобретение относится к области ионно-лучевой вакуумной обработки материалов и может быть использовано при модифицировании поверхностей изделий, в частности, для создания антифрикционного и износостойкого слоя на изделиях, в узлах сухого трения и со смазкой, в узлах трения с высокими удельными нагрузками, в точной механике, металлургии, приборостроении, инструментальной промышленности. Решаемая задача - повышение износостойкости обрабатываемых изделий, снижение коэффициента трения и износа. Согласно изобретению эту задачу решают двумя вариантами способа. По первому сначала изделия обрабатывают в эпиламирующей композиции 6СФК-180-0,5 на основе высокомолекулярных фторсодержащих поверхностно-активных веществ во фторсодержащих растворителях, затем имплантируют ионы металлов и/или /неметаллов импульсами с частотой 50 Гц, длительностью импульса 250 мкс, с энергией однозарядных ионов 40...100 кэВ до достижения дозы 5•10¹⁶...1•10¹⁷ см^-2. По второму - сначала имплантируют ионы металлов и/или/ неметаллов /с вышеуказанными параметрами/, а затем обрабатывают в эпиламирующей композиции. Предлагаемый способ упрочнения поверхностей изделий в вакууме по сравнению с прототипом позволяет увеличить износостойкость в 1,9 раза по первому варианту и в 1,2 раза по второму. Коэффициент трения качения в три раза меньше по первому варианту и в 1,5 раза меньше по второму.

1. Способ упрочнения поверхностей изделий в вакууме, включающий импульсную имплантацию ионов металлов и(или) неметаллов с энергией одноразрядных ионов 40 100 кЭВ с частотой и длительностью 50 Гц и 250 мкс до достижения дозы 5•10^1 6 1•10^1 7 см^- 2, отличающийся тем, что последовательно с имплантацией поверхность изделий обрабатывают в эпиламирующей композиции 6СФК-180-0,5 на основе высокомолекулярных фторсодержащих поверхностно-активных веществ во фторсодержащих растворителях. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхность изделий обрабатывают в эпиламирующей композиции перед имплантацией. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхность изделий обрабатывают в эпиламирующей композиции после имплантации.